固定翼无人机短距防偏制动方法研究

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滑跑制动是固定翼无人机控制的关键环节之一,制动系统设计存在不足将导致无人机侧翻、冲出跑道等事故,严重影响着无人机的安全。本文针对钻石CU42无人机加改装后电静液制动系统优化设计的需求,开展了短距离制动方法以及沿中心线直行防偏方法的研究,设计了满足要求的短距防偏系统。主要工作和特色如下:首先,为了保证无人机短距离高效制动,提出了一种基于最佳制动力矩的短距离制动方案。该方案由防滑防抱死策略和制动压力协调控制两部分组成:防滑防抱死策略可自动识别当前跑道状态,利用机轮与跑道间摩擦系数模型定义的滑动系数τ,准确获取轮胎跑道间摩擦峰值位置的机轮角速度和最佳制动力矩,保证机轮的滑移制动效果达到最佳状态,实现缩短制动距离。同时,为达到制动压力的精确控制以及系统的快速性响应要求,设计了一种内环电流环、外环压力环的双闭环制动压力协调控制方法:采用自抗扰技术对压力环进行调控并输出电流环控制量(目标电流)对电机进行控制;针对电流环的控制,设计了一种观测器带宽可调的电流自抗扰控制器。实现了实际压力对目标压力快速、准确的跟踪。其次,针对无人机制动时的侧偏问题,设计了一种全速域上的联合纠偏方案进行防偏控制。基于无人机地面滑跑模型对其进行受力分析,利用PID、模糊控制等方法设计了方向舵纠偏法、主轮差动纠偏法以及前轮转向纠偏法,进而采用优化法(梯度下降法)将三种纠偏方法结合,并根据无人机低、中、高速时的滑行特性为三种纠偏法分配当前滑行速度下的纠偏权重系数,仿真验证了联合纠偏的防偏能力,保证了无人机沿中心线稳定滑行。在测试台架上对制动系统进行性能测试,测试结果表明,防滑防抱死策略实验结果与软仿真结果近似,压力协调控制法能够实现制动压力快速、精确地跟随目标压力。综上,制动系统性能满足设计要求,具有良好的短距防偏效果。
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